启飞汽车设计谈：如何实现汽车的轻量化

如何实现汽车的轻量化
 
  汽车的轻量化从材料角度考虑，一般通过使用轻量化材料来替代钢铁，还可通过材料自身的改质来实现轻量化，其目的是提高材质。减小零部件的尺寸也可实现轻量化，以前汽车的三大材料——铁、铝、树脂，从轻量化角度考虑都能反应出材料的基本特性。
 
  汽车由2~3万个零部件构成，零部件又是通过材料加工而成，所以必然使用了许多种类的材料，主要材料：有色金属铝、镁、钛被称为轻金属；非金属塑料是树脂材料；复合材料FRP是纤维增强塑料。本文将对树脂材料进行说明，所使用的镍铬铁属于镍类材料，与发动机耐钢材料的分类不同。
  汽车对用材料的要求是：大量稳定供应；可以批量生产；环保性能好。由于汽车是商品，批量生产时会重点考虑材料成本和生产效率（加工性），同时也会重视材料的均匀性。环保方面是指减少环境污染和回收再利用。对于减少环境污染，例如使用无铅钎焊和无铅切削钢，过去石棉被运用于制动器垫块和气缸盖衬垫中。针对回收再利用，与化石燃料一样，材料使用从资源枯竭角度考虑，追求材料的回收再利用。
  铁、铝、树脂是汽车三大构成材料，构成比发生变化的主要原因是轻量化。结构部件使用轻质和韧性高的材料是理想的做法。但相同的材料各有优缺点，材料的性质涵盖强度、刚性、重量、韧性、耐热性、耐腐蚀性、耐磨损性，选择材料时要考虑合适的位置使用合适的材料。
  提高发动机车燃油经济性的方法是：改善发动机的燃烧、减少摩擦损失、提高动力传递效率、降低空气阻力和滚动阻力、减轻汽车的重量（轻量化）。其中，轻量化尤为重要。由于车身最重，其轻量化最为关键。

  如表1，从汽车（搭载发动机）重量看，2 L级乘用车（空车重量1214 kg）的铁车身重量343 kg。其中，车身骨架——车身本体261 kg、车门与前后罩板82 kg，也就是白车身占整车重量的30%左右。
  以下将对汽车三大构成材料——铁、铝、树脂进行概述，同时结合车身，讲述轻量化的案例。
 
  铁
  从汽车中的钢铁材料看，车身一般使用钢板，发动机部件一般使用特殊钢和铸铁。钢板在汽车中使用量最大，在重量构成比中占40%左右。特殊钢由于强度、可靠性高，所以是发动机、驱动、底盘等总成的主要构成材料占比不足20%，该比例没有太大的变化。另外，由于缸体的铝制轻量化趋势，铸铁的使用量在不断减少。
  高强度钢板
  整个铁车身（无骨架车身）由350个部件点焊装配而成。每个部件由薄钢板（0.6~1 mm）冲压成形，为了增强，一部分部件的板厚也达到2 mm左右。由于车身中也开始使用表面精度高的冷轧钢板，所以采用高强度钢板的有效位置是，对疲劳强度和变形强度有要求的车架、支柱、梁；对耐压痕性有要求是前面罩、行李厢盖等外板。
 
  图1表示高强度钢板与普通钢板（SPC、冷轧析）的特性对比。烘烤硬化类（BH）钢板冲压成形时质感软，也就是屈服强度低，但是涂装烘烤时，经过170℃左右的温度，屈服强度会提高，所以被应用于前面罩、行李厢盖等外板中。以冲压成形性好的IF（无空隙）钢为基础添加磷元素，深拉延性也很优秀。通过复合组织来提高强度和加工性，这就是复合组织型高强度钢板（DP、TRIP）。该类钢即使强度与过去相同，也比过去的沉淀硬化类钢
的延展性高。DP钢和TRIP钢被运用于可以吸收碰撞能量的纵梁上，马氏体组织类钢被运用于车门横梁和保险杠加强板上。
  高 强 度 钢 板 1 9 9 0 年 占 车 身 总 重 量 的25%~35%，最近的应用比例达到57%（案例：丰田AQUA车，2012年），其重要性越来越突显。通过采用高强度钢板能够取得很大的轻量化效果。据世界钢铁协会统计，铁制超轻车身ULSAB（1998年）达到了25%左右。在ULSAB中高强度钢板定义为64%~91%。为了实现轻量化，通过优化车身结构，采用不同板厚的轧制工艺、液压成形、激光加工等加工技术来确保刚性。世界钢铁协会继ULSAB之后，对纯电动汽车和混合动力汽车的车身采用了超高强度钢板，不但采用不同板厚的轧制工艺、液压成形，而且还采用热冲压成形和滚压成形等加工工艺，对ULSAB进行了进一步的轻量化探讨。
  从结构用合金钢看，也被称为高强度结构用合金钢，对动力总成轻量化起着很大效果。其代表性的零部件之一就是连杆，重量逐步减轻。钢铁的轻量化一般是提高毛坯自身的强度，对零部件材料表面施加表面处理，使它增强之后再减小尺寸。从连杆的轻量化案例看，对连杆施加渗碳处理，使它表面变硬增强，然后再通过减小尺寸来减轻30%的重量（案例：本田INSIDE车，1999年）。

  铸铁
  从轻量化角度看，铸铁不仅与铝媲美，而且还与铁的同类材料钢媲美。其应用范围可以扩展到曲轴、凸轮轴、排气歧管等。如果对铸铁本身进行改良也可使用，比如通过石墨的球化处理，改良片状石墨的灰口铸铁脆性得到优化，就是代表性的工艺，因为石墨形状对铸铁特性影响很大。另外，蠕墨铸铁替代灰口铸铁、实现轻量化的案例是缸体（4.5 L柴油发动机）。
  从分析表可知，发动机重量占比也很大，仅次于车身重量。其中占发动机总重量1/4左右的是缸体，所以从1980年开始至今使用铝制缸体。通过对2 L级乘用车重量分析发现，缸体由过去的铸铁变为铝制材料，重量从原来的41 kg变为现在的26 kg，减轻了15 kg。
  铝
  铝（Al）的比重为2.7，大约是铁的1/3，对于铝系材料，由于飞机合金等强度较高，所以比强度（强度/重量）较
变形用铝分为加工用Al（轧制、锻造、挤压、拉伸等加工而成）、高强度Al合金、非热处理型合金（3000、4000、5000系）和热处理型合金（2000、6000、7000系）。5000系与6000系用于车身，2000系与7000系的铝是高强度Al合金的飞机合金。
  铝车身
  一直以来铝铸造件和锻造件被运用于发动机和行驶系统中，1986年开始被运用于车身上（马自达RX-7车前面罩）。车身的部分部件，诸如前面罩、顶盖、挡泥板和行李厢盖运用铝材料开始增多。不仅为了减轻重量，而且也可提高转弯性能。对于铝顶盖车，据主机厂技术人员提议，转弯时重心低，所以转弯感好。
  铝材料的采用到底能给车身轻量化带来多大效果，从本田NSX车（1990年）铝车身看，与相同尺寸的铁车身相比，减轻了40%左右的重量。从轻量化占比看，奥迪A8（1994年）大约40%，奥迪A2（1999年）大约43%，所以铝车身重量相当于铁车身重量的60%左右。
  FRM
  考虑到汽车与铝的关系，期待使用铝复合材料FRM。母材是铝合金，其纤维得到增强，称为增强纤维金属（FRM）。FRM最初作汽车材料而被应用是1980年的柴油发动机活塞耐摩环，为了加强活塞第一道密封环槽的耐摩损性，与一般的耐蚀高镍铸铁一起使用。
  从汽车FRM的应用实例看，代替铸铁缸套的FRM滑套（案例：本田Prelude车，1991年）和连杆上都采用了FRM（案例：本田CITY车，1985年），它们都实现了轻量化。FRM缸套就是通过铝与纤维（氧化铝纤维与碳纤维）的复合来解决铝的弱点，增强其耐磨损性，通过减薄缸径间的肉厚来减小发动机的尺寸，从而实现轻量化。
  树脂
  汽车中使用的树脂有许多种类，其中对聚丙烯（PP）进行了各种改良和相关技术开发，使它具有适度的耐热性、刚性和成形加工性。汽车中所使用的树脂材料约占60%，日本车使用的树脂保险杠几乎都是在PP中添加了橡胶，1962年PP通过技术引进在日本生产。
有聚酰胺（尼龙）进气歧管（案例：富士重工SANBADHIASU车，1992年）和高密度聚丙烯油箱（案例：日产PRIMERA车，1990年），轻量化最大的对象是车身。
  树脂车身
  1940年初美国开发了用不饱和聚丙烯固化玻璃纤维，也称为复合材料的增强纤维塑料（FRP）。1953年销售的车（通用公司KORUBETTO）的铁车架外板全部都是GFRP。G代表玻璃，替代G的是C，代表碳。即在母材树脂中加入玻璃和碳等增强纤维，提高强度和刚性的材料就是FRP，碳纤维于1960年推向了市场。
  CFRP的制作方法是蒸压工艺，赛车的所有树
对预成型料（使环氧树脂浸入碳纤维中的毛坯）进行层叠，通过高压炉进行加热加压，使树脂硬化。该硬化过程所花时间影响了生产效率，要想缩短该工艺时间，在树脂材料开发时可能要考虑成形性、浸渍性、与纤维的界面强度等因素。
  在汽车中作了与飞机机体相同的尝试，比如2010年丰田凌志车，35%的铝，65%的CFRP树脂车身，前后面罩、顶盖是CFRP。如果把车当作商品看待，一部分像运动跑车那样的高档车，车身采用树脂材料的范围则更加广。目前新动态是EV（宝马i3）和HEV（宝马i8）都采用CFRP驾驶室。
  过去树脂应用于车身的最佳位置是前面罩、挡泥板、车门。铝与树脂（CFRP）前面罩（日产GT-RV SPECⅡ车，2000年）相比，大约减轻4 kg。因为铁制前面罩20 kg，铝制12 kg，CFRP制8 kg，所以通过材料转换，轻量化效果很明显。该面罩不必蒸压，通过RTM成型法制造而成。今天看来，对当时的环氧硬化时间进行了大幅缩短。前面罩是重要的部位，交通事故时可以保护行人的安全，期待铁、铝、树脂可以与它媲美。还有碳纤维制动器，由于它是C/C复合（碳纤维增强复合），是不同种类的复合材料。
  树脂车窗
  聚碳酸酯（PC）是1950年开发的树脂，是玻璃的替代品。PC作为玻璃的替代品而被使用时，在必须对PC进行硬涂层表面处理。由于PC比玻璃轻，且成形性好，所以造型自由度大。但是，很容易划伤，在紫外线照射下容易变黄，耐候性差。为了解决这两大缺点，对PC表面施加涂层，目前被汽车的顶盖所应用（案例：MCC车、2007年）。目的不同，有些类似车身涂装。要想提高耐划伤性，也可对带雨刮器的后车窗、可升降的侧窗采用涂层工艺。
  从轻量化角度看，应用的最大部件是活动式遮阳顶。以1.6 m2的遮阳顶为例（案例：丰田prius车，2011年），玻璃材料为20 kg，PC材料为12 kg，PC材料只有玻璃重量的60%左右。如果追求轻量化，从运用案例看（案例：通用Corvette车，2005年），玻璃部分的6 kg换成PC的话，只有3.6 kg，所以采用PC后，重量相当于玻璃材料的60%左右。材料的变迁与替代
  从轻量化角度看汽车材料发展趋势，首先主要是铁，然后是铝和树脂，将来是镁。与铝抗衡的镁，比重为1.74，重量只有铝的2/3，这是最轻的金属，比强度很高。镁材料的零部件有缸盖、转向盘、座椅骨架、轮胎、油底壳、手动变速箱壳、进气歧管等。以下想从复合材料的变迁和使用替代材料时所追求的强度进行概述：
  变迁
  材料改质时金属中的合金是关键，从金属合金发展可了解复合材料技术发展动态。对于树脂的改质，主要是克服塑料缺点，颇具代表性的材料是合金式强化塑料和纤维增强塑料。纤维增强塑料是由孟买麻和一般麻等天然纤维（绿色纤维）复合而成。
  通过材料的改质可提高强度，从金属材料看，除合金外，由于材料存在着缺陷，可以进行表面处理。材料缺陷会产生断裂，所以希望杂质更小更少。一般会发生铝铸造缺陷和钢清洁度（杂质）等问题。例如：对于柴油发动机共轨系统（传输泵、共轨、喷射器），其缺陷主要反应在杂质的大小，应用钢材时必须对杂质大小进行控制。也就是说，解决使用部件压力高问题时，必须开发可以应对切削加工和疲劳强度两个相反要求的钢材，称 为耐压材料。
  从钢的表面处理来看，一般采用高频淬火和渗碳淬火等表面硬化处理以及喷丸处理。渗碳处理后的高频淬火、渗碳淬火后的喷丸等复合处理也在研究之中。表面处理除了考虑强度，还要考虑车身防锈，所以镀锌表面处理钢板也起着很重要的作用。
根据以上原理，对零部件也做了相同的复合考虑，发动机气缸垫现在主要采用金属堆积工艺，通过钢板堆积层与涂层复合来提高性能。使用了不锈钢（SUS），因材质特性的不同，分别采用不锈钢SUS304和弹性优良的SUS301。另外还有更加特殊的案例：铝镁复合的缸体（案例：宝马630i车，2004年）。
  替代
  从轻量化和强度角度考虑，轻量化的基本方法是减少板厚，削减多余的肉，其前提条件是确保安全性。由于重量减轻而减少了必要的尺寸，所以容易断裂。即强度不足。经过一段时间出现疲劳破损和其它缺陷，由于使用环境的恶化，若强度可靠性确认不足会造成部件召回问题
 

（作者，启飞汽车设计专注于汽车设计研发与汽车设计培训实战教育培训。底盘设计培训，汽车内外饰设计培训。汽车设计资料分享。启飞高级讲师队伍为车企设计研发工程师创建，已经陆续培养大批汽车设计研发人才进入汽车设计行业，启飞所有汽车高级工程师都来自国内外车企或设计公司，拥有丰富的设计研发经验，，更多汽车设计实战技术与汽车行业就业经验，请关注Q2915766019 微信：qifei1788。官网：www.91qifei.com

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